JOURNAL OF DALIAN MARITIME

UNIVERSITY

1999年　第25卷　第2期　Vol.25　No.2　1999

涡轮增压柴油机动态仿真的研究*

段树林　欧阳明高　刘　峥

摘要：建立了涡轮增压柴油机准线性动态实时仿真模型．该模型按时间尺度原则,只考虑柴油机状态量的时间平均效应,忽略循环波动,突出实时性;详细描述了柴油机、增压器的热力学及动力学子模型;以YC105QC为仿真对象,在MATLAB/SIMULINK环境下进行了动态仿真,并给出了典型瞬态过程的仿真结果．

关键词:涡轮增压;柴油机;动态仿真;准线性模型

分类号:TK442;TP39.9　　　文献标识码：A

Dynamic simulation of turbocharged diesel engine

using MATLAB/SIMULINK

DUAN Shu-lin

Wuhan Transportation University,Wuhan 430063, China;

OUYANG minggao　LIU Zheng

Tsinghua University, Beijing 100084,China)

Abstract： A quasi-linear dynamic simulation model of turbocharged diesel engine is established. According to the principle of time scale, the mean time effect of engine state is considered. The cycle fluctuation is neglected and the real time characteristic of engine is stressed. The thermodynamic and dynamic sub-models of diesel engine and turbocharger are described in detail. The dynamic simulation of YC105QC turbocharged diesel engine is made in the environment of MATLAB/SIMULINK and a typical example of transient process of simulation result is given .

Key words: turbocharged diesel engine; dynamic stimulation ; quasi-linear model

　　大功率柴油机无一例外地采用增压技术,小功率柴油机也大量采用废气涡轮增压［1］．车用柴油机的转速和功率变化范围相当大,而增压(尤其高增压)柴油机在外部负荷突变时的响应低,部分负荷性能变差,甚至启动困难．因此增压柴油机变工况和动态工况性能的研究尤为重要．数值仿真技术随着计算机技术的迅速发展在各个领域得到了空前广泛的应用．对涡轮增压柴油机动态特性的仿真可全面地反映出增压系统的特性,从而可省去多次试验及反复．另外,在电控增压柴油机控制系统设计的初始阶段,建立发动机模型并对其进行仿真是非常重要的环节［2］．90年代以来,国际控制界出现了功能强大的MATLAB/SIMULINK仿真环境．该软件提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、方便的Windows编程等便利工具,已成为最重要也是最有效的仿真手段之一［3］．本文在SIMULINK中建立了柴油机、增压器的热力学及动力学子模型,并把它们连接起来进行了YC105QC增压柴油机动态仿真．

1　系统模型描述

　　本文从增压柴油机的稳态数据出发建立动态模型,突出实时性,不考虑发动机的循环波动(高频量),重在描述发动机状态变量(中频量)的平均值随时间变化的过程．所有高频量(如循环供油量)被认为是瞬时变化而达到稳态;所有低频量(如温度等)用代数方程表示;动态响应比较显著的中频量(如增压器转速、发动机转速等)用微分方程表示．发动机隐态数据由台架试验测取．

　　图1为涡轮增压柴油机系统示意图．该系统由四个部分组成,即柴油机、燃油系统、压气机和涡轮．新鲜空气通过管道1被压气机增压后经进气道2进入燃烧室,与燃油混合燃烧后产生的废气经排气道3进入涡轮做功后经排气管排入大气．燃油系统控制喷入燃烧室的燃油量．图2为用MATLAB/SIMUINK图形化流程图式编程语言建立的涡轮增压柴油机仿真模型整体结构图,它是模型的最上层结构．

　　图1　涡轮增压柴油机系统示意图　　　　　　　　图2　仿真模型整体结构图1.1　压气机模型

　　压气机的质量流量m c、效率ηc、转速n、和压比πc有如下关系:m c＝f(n，πc)，ηc=f(n,πc).根据增压器生产厂家提供的压气机特性曲线,可将这两组曲线整理成二维数组存放在计算机内存中,给出压气机的转速n和流量m c即可得出压气机的压比πc和效率ηc、由πc、m c、ηc、n和T1，根据热力学定律和牛顿定律,可求出压气机出口温度T2和压气机消耗的扭矩M c,即

（1）

式中,R为气体常数;k为气体绝热指数;T1为环境温度．

1.2　涡轮模型

　　涡轮的质量流量m t、效率ηt、转速n和膨胀比π1有如下关系:m t＝f（n，πt），ηt ＝f（n,πt）.根据涡轮特性曲线,采用与压气机相同的处理方法,即将这两组曲线整理成一维数组存放在计算机内存中,给出涡轮的转速n和流量m t,即可得出涡轮的膨胀比πt和效率ηt．由m t、ηt、n、πt和T3,根据热力学定律和牛顿定律,可求出涡轮出口温度T4和涡轮所发出的扭矩M t,即

　（2）

1.3　增压器动力学模型

　　废气对涡轮所做的功一部分用于压气机压缩空气,另一部分则消耗于摩擦损失(不计散热损失)．由牛顿第二定律可得增压器转子扭矩的平衡方程

　（3）

式中,J tc为增压器的转动惯量;c1、c2为摩擦系数．

1.4　发动机模型

　　(1)发动机流量　忽略残余废气系数,进入气缸的气体流量可按下式计算:m2＝ηvρ2Vn sh/120;ρ2＝P2／RT2　（4）

式中,ηv为气缸充气效率,仅是发动机转速的函数［4］,可由发动机台架实验测得；ρ2为气缸空气密度;V为发动机气缸排量;n sh为发动机转速．

　　(2)平均排气温度　对发动机,运用热力学第二定律可得下式:

m f H LHV－Q w－N e＝（m a＋m f)C p T3－m a C p T2　（5）

式中,m f为单位时间喷入气缸内的燃油量;H LHV为燃油低热值;Q w为冷却水带走热量;N e 为发动机有效功;C p为工质比热;T3为平均排气温度;m a＝m2．

　　发动机有效效率ηe＝N e/(m f H LHV);冷却损失百分比ξw＝Q w/(m f H LHV).令ξE＝1－ηe－ξw并代入式(5),经整理可得平均排气温度　　T3＝T2＋K T／（1＋m a／m f)　（6）

式中,K T＝ξEH LHV／C p,称为排气温度因子,是空气燃油比m a／m f的函数．当m a／m f＞18时K T为常数［5］．

　　(3)指示扭矩　指示扭矩按下式计算:　　M i＝m f H LHVηi30／πn sh　（7）

式中,ηi为发动机指示热效率;ηi是发动机转速和燃空比的函数［6］,可由台架实验测得．

　　(4)摩擦扭矩　本文不考虑复杂的摩擦扭矩模型,只采用一个反映平均摩擦压力与转速间函数关系的经验公式［7］：　　p f＝c＋48n/1000+0.4S2p　（8）

式中,p f为平均摩擦压力;S p为活塞平均速度;c为系数．

　　摩擦损失扭矩　

M f=p f V／（4π）　（9）

图3　系统仿真框图

1.5　发动机动力学模型

　　由牛顿第二定律可得发动机转动的平衡方程

　（10）

式中,M L为负载扭矩;J sh为发动机转动惯量．

2　系统仿真

　　根据式(1)～(10),用MATLAB/SIMULINK图形化流程图式编程语言可方便地建立起系统各部分的仿真模块．将这些模块连接起来可组成图3所示的系统仿真框图．图中阶跃信号发生器用来模拟喷油量和负荷的突变过程,模拟示波器用来动态显示各输出量的变化过程．

　　图4、图5分别为喷油量从0.006kg/s突降至0.004kg/s,稳定后又突升至0.006kg/s时发动机和增压器转速的变化过程．动态仿真时间为120s,时间步长为20ms,微分方程和代数方程的收敛范围为0.001,积分算法为三阶龙格库塔法,实际计算时间为98s.　　

图4　喷油量突变时发动机转速变化过程　　　　　图5　喷油量突变时增压器转速变

化过程

3　结　论

　　利用适当简化的数学模型辅以一定数量的实验数据而建立起的增压柴油机准线性模型能满足动态仿真的实时性要求,并具有某些非线性模型的优点．在MATLAB/ SIMULINK环境下对涡轮增压柴油机进行动态仿真具有方便快捷等特点,仿真结果对增压系统,特别是电控柴油机控制系统参数的调整有指导意义．

作者单位：段树林　武汉交通科技大学轮机工程学院,湖北武汉　430063;

　　　　　欧阳明高　刘　峥清华大学汽车系,北京　100084)

参　考　文　献

［1］　Sugihara H et al. Effect of High-Boost Turbocharg ing on Combustion Characteristics and Improving Its Low Engine Speed Torque［R］．SAE Paper 920046,1992.

［2］　Kao M H, Moskwa J J. Turbocharged Diesel Engine Modeling for Non linear Engine Control and State Estimation［J］．Transaction of ASME,1995,117: 20-30.

［3］　薛定宇.控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应 用［M］．北京:清华大学出版社,1996.1-12．

大连海事大学学报990218

［4］　Horlock J H, Winterbone D E. The Thermodynamics and Gas Dynamics of Internal Combustion Engines［M］．New York:Oxford University Press,1986.947-948．

［5］　蒋德明.内燃机的涡轮增压［M］．北京:机械工业出版社,1986.

［6］　Hendricks E, Sorenson S C. Mean Value Modeling of Spark Ignition Engines［R］．

SAE Paper 900616,1990.

［7］　Heywood J H著，唐开元等译.内燃机原理［M］．武汉:海军工程学院 出版

社,1992.443-444．

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